某客专隧道洞口段道床隆起病害分析与整治

李 奎， 刘 凯

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610083)

0 引言

铁路隧道局部段落基底隆起引起轨道不平顺，影响列车运行舒适度，导致道床、仰拱填充及仰拱开裂，情况严重的将危及行车安全，迫使列车限速运行。隧道基底隆起与隧道地形、隧区地应力、地层岩性及构造、水文地质条件、隧底结构型式及支护参数、施工质量等因素密切相关。

国内专家学者对隧道基底病害机制及整治措施进行了相关研究。如： 文献[1-3]运用理论分析、模型试验和现场试验的方法，研究了铁路隧道基底结构的受力状态、病害产生的机制以及病害整治措施； 文献[4]和文献[5]提出采用高强发泡树脂作为注浆材料，以高压注浆的方式对隧道基底进行快速加固； 文献[6]提出采用“抬-注-锚”复合整治技术整治整体道床下沉病害； 文献[7]介绍了乌鞘岭隧道整体道床沉降病害整治采用聚氨酯注浆抬升整体道床的经验； 文献[8]提出通过发挥微型桩受拉特征，整治水压力作用下隧底填充结构裂损病害的措施； 文献[9-15]分析了隧道基底结构隆起病害的成因，介绍了相关工程整治案例，并提出相应的工程对策。

以上研究多侧重于铁路隧道中部某一局部道床沉降或隆起病害的原因及其工程处治措施，鲜有铁路隧道洞口浅埋且地形偏压引起道床隆起病害的报道。某客专GZ隧道洞口段道床隆起十分典型，本文对GZ隧道进口段道床隆起病害进行分析，并通过道床变形监测数据分析评价整治效果，总结病害整治的成效，以期为类似工点病害整治提供参考。

1 工程概况

1.1 设计概况

某客专设计时速为350 km，全长5 523 m的GZ隧道(K1966+299～K1971+822)为双线隧道，线间距5 m。进口至K1966+522为平坡段，K1966+522至出口为15‰的上坡。进口接某特大桥桥台，出口接路基。K1966+352至出口采用CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道。进口端左线左侧设置1座长30 m的横洞，与左线线路交点里程K1966+532，横洞中线与线路小里程方向平面夹角为45°，纵坡5‰。

GZ隧道位于云贵高原侵蚀构造中低山区，具有山高谷深坡陡的特点。隧道进口K1966+311～+672段浅埋，见图1，最小埋深4 m，且隧道右侧为一沟槽，见图2，属地形偏压。K1966+299～+321段为单压式明洞衬砌，K1966+321～+622段为Vc型复合衬砌。为加强洞门端墙稳定性，在K1966+299左侧(靠山侧)距边墙0.55 m处设置1根长20.0 m的预加固桩，桩截面2.0 m×2.0 m。K1966+321～+352段暗洞右侧埋深较浅，暗洞开挖前此段地表进行C20混凝土反压回填。从横洞进入正洞，进口端桥台施工完毕后再进行洞口段施工。

图1 隧道进口纵断面图

图2 隧道进口平面图(单位： m)

1.2 道床隆起病害概况

2017年1月初，高铁工务段添乘中发现隧道进口端有砟与无砟过渡段动态不良，1月8日凌晨现场测量结果显示K1966+300～+350段轨道发生上拱，其中K1966+300～+347段为有砟轨道过渡段，K1966+347～+350段为无砟轨道过渡段。高铁工务段于2017年1—3月组织车间对该段进行轨道几何尺寸观测，6次测量结果表明K1966+305～+337段下行线(左线)轨道上拱明显大于上行线(右线)，下行线最大高程点约在K1966+320.311，上行线最大高程点约在K1966+317.163。轨道高程及平面偏差见表1。由表1可知，在K1966+320.311处下行线轨道上拱呈增大趋势，此处轨道偏离于轨道设计中线左侧，但无增大趋势。

表1 轨道高程及平面偏差

注： 1)高程偏差为正代表高于设计高程； 2)平面偏差为正代表偏离轨道设计中心右侧，平面偏差为负代表偏离轨道设计中心左侧。

2 道床隆起病害原因分析

从2017年1月19日起，对道床隆起段开展了地表、明洞及桥台位移、道床变形、分层沉降、深层水平位移等项目的监控量测，截至2017年4月12日。监测结果表明： 1)地表、明洞及桥台在各方向均没有变化趋势； 2)K1966+319处仰拱填充层顶面和仰拱顶面上拱趋势明显，基岩点也有上拱趋势； 3)K1966+305处无深层水平位移。

2017年1月24日至2月22日，对隆起段完成6孔钻探取芯及综合物探、裂缝调绘等工作。道床隆起段位于隧道进口明洞与暗洞交界附近，埋深浅。地层为三叠系中统杨柳井组(T2y)中厚层状白云岩、角砾状白云岩夹泥质白云岩，属硬质岩；临近某江深大断裂，岩层局部揉皱发育。钻探揭示浅表差异风化明显，局部陡倾溶缝发育，地下水不发育。在该地质环境下，可能引起轨道上拱的主要因素如下。

2.1 明洞段地基不均

明洞段地基风化界面较陡，左侧位于弱风化带，右侧基础未按设计要求置于弱风化带，具差异沉降潜在条件。

2.2 暗洞段浅埋且地形偏压

明暗交界附近的暗洞段右侧地形较陡，见图3，存在地形偏压，未发现地层滑移现象； 隧道开挖引起的地层偏压调整仍未完毕，偏压力加载挤压隧底结构，造成道床向弱约束方向位移，表现为不同程度的上拱。

2.3 混凝土局部有缺陷

混凝土钻孔取芯采取率局部偏低，表面不光滑。SDZ-GZ-1-1钻孔位于明洞段K1966+301.3中心线左0.60 m，钻孔揭示道碴厚0.57 m，混凝土厚2.10 m，其中0.75 m处混凝土有局部离析，2.60 m处见1条水平裂缝，仰拱填充与仰拱间的施工缝不明显，芯体局部见蜂窝状孔洞，孔壁表面不光滑。SDZ-GZ-1钻孔位于明洞段K1966+311.63中心线左0.60 m，钻孔揭示道碴厚0.57 m，混凝土厚1.90 m，其中1.15 m处见1条水平裂缝，1.75 m处为仰拱填充与仰拱间的施工缝，芯体总体较破碎，取芯采取率偏低。SDZ-GZ-2钻孔位于暗洞段K1966+329.43中心线左0.60 m，钻孔揭示道碴厚0.65 m，混凝土厚1.95 m，其中2.35～2.60 m为初期支护，0.80～1.40 m取芯采取率偏低，混凝土质量稍差。SDZ-GZ-3钻孔位于K1966+344.73中心线左0.60 m，钻孔揭示道碴厚0.50 m，混凝土厚2.25 m，其中2.40～2.75 m为初期支护，0.65～0.80 m、1.00～1.30 m、2.00～2.40 m钻进较快，取芯采取率偏低，混凝土质量稍差。

图3 暗洞段横断面地质剖面图(K1966+325)

3 道床隆起整治目标及原则

高速铁路对隧道基底隆起的控制指标要求较严，基底隆起量过大，必然要求列车限速运行。本道床隆起段整治目标是： 采取相应的工程措施，控制道床长期持续隆起，确保轨道几何尺寸满足列车运行要求。道床隆起段整治应满足以下原则： 1)兼顾运营与施工，确保行车和施工安全； 2)合理组织，统筹兼顾，确保施工质量，满足工期要求； 3)据病害原因分析，提出相应的整治措施。

4 道床隆起整治措施及实施

4.1 整治措施

据道床隆起段补勘及监测资料，经多次专家会议讨论，确定了如下整治措施。

4.1.1 明洞耳墙底注浆

K1966+299～+310段采用直径为25～60 mm的钢管对明洞右侧换填体进行注浆加固，见图4，相同角度的注浆管纵向间距1.0 m，不同角度的注浆管交错布置，注浆管嵌入弱风化白云岩、角砾状白云岩1.0 m，注浆材料采用无收缩水泥浆(水灰质量比为0.42)。

图4 耳墙底注浆示意图

4.1.2 洞外锚固桩

K1966+302～+307段明洞右侧设置1#、2#锚固桩，采用桩板墙对明洞基础进行加固，桩板墙与明洞间空隙采用C20混凝土回填密实。挡土板采用C35钢筋混凝土预制，板高4.50 m。K1966+340～+361段暗洞存在地形偏压，在线路右侧设置3#～6#桩进行加固。1#～6#桩的平面布置见图5，各桩的设计参数见表2，桩身采用C35钢筋混凝土现浇。

图5 洞外锚固桩平面布置示意图(单位: cm)

编号桩中心里程桩长/m桩截面尺寸/(m×m)桩顶高程/m桩底高程/m1#K1966+302161.5×2.0868.71852.712#K1966+307161.5×2.0868.71852.713#K1966+340222.5×3.0879.85857.854#K1966+347262.5×3.0881.85855.855#K1966+354282.5×3.0883.85855.856#K1966+361282.5×3.0883.85855.85

4.1.3 锚杆加固

K1966+299～+360段轨道板两侧增设锚杆加固，锚杆加固平面及横断面布置见图6和图7，共布置160孔。锚杆杆体采用直径为32 mm的PSB830精轧螺纹钢筋，单孔放置2根钢筋。锚孔注浆采用M35水泥砂浆。

图6 锚杆加固平面布置示意图(单位： cm)

Fig. 6 Sketch of plane layout of rockbolt reinforcement (unit: cm)

图7 锚杆加固横断面布置示意图(单位： cm)

Fig. 7 Sketch of cross-section of rockbolt reinforcement (unit: cm)

4.1.4 隧底注浆

钻探揭示洞口明洞段基底1.10～2.70 m芯体破碎，同时部分钻孔揭示隧底有离析现象，故对K1966+299～+360段隧底开挖轮廓线外不密实的部位进行充填注浆加固。隧底注浆孔共计122个，设置于轨道板两侧，见图8，与本体注浆孔交错布置，同一横断面布置2个。注浆管采用直径为25～60 mm的钢管，钢管末端50 cm管壁上预留泄浆孔。注浆材料采用非收缩性硫铝酸盐水泥(水灰质量比为0.38∶1)，终凝时间控制在60～90 min，灌(注)浆工序在天窗时间结束前60 min完成。

图8 隧底注浆加固示意图(单位： cm)

Fig. 8 Sketch of grouting reinforcement in surrounding rock of tunnel bottom (unit: cm)

4.1.5 本体注浆

K1966+299～+360段仰拱填充存在较多纵横向裂缝，故对该段仰拱及填充进行注浆加固。本体注浆孔共计122个，设置于轨道板两侧，见图9，与隧底注浆孔交错布置，同一横断面布置2个。注浆材料采用非收缩性超细水泥(水灰质量比为0.38∶1)，终凝时间控制在60～90 min，灌(注)浆工序在天窗时间结束前60 min完成。

图9 仰拱及填充注浆加固示意图

Fig. 9 Sketch of grouting reinforcement in inverted arch and filling

4.1.6 中心水沟封闭

为增强K1966+299～+360段仰拱填充的整体刚度及强度，将中心水沟调整为40 cm×40 cm(宽×高)的过水通道，通道周围空隙采用无收缩C30混凝土回填至仰拱填充顶面。每段封闭长1.50 m，2段封闭段间隔1.20 m作为检查口，并铺设中心水沟盖板，见图10。

图10 中心水沟封闭平面示意图(单位： cm)

4.2 整治实施

K1966+299～+360段道床隆起整治施工时间为2017年4月7日至9月2日，各项整治措施的施工起讫时间见表3。所有整治施工均在天窗时间内完成，人工和自动监测一直开展。

表3 各项整治措施的施工起讫时间(2017年)

5 道床隆起整治效果分析

5.1 监测中间结果

病害段整治前后开展了轨道测量、道床变形人工和自动测量等监测，并对监测结果进行对比分析，2017年内对比结果显示3种测量结果基本一致。以下重点介绍自动监测成果，并辅以人工监测成果，分析道床隆起整治效果。

微压差静力水准沉降监测系统是采用传感器无线组网技术将各组微压式静力水准传感器系统进行无线组网，监测数据传回至数据中心服务器上。自动监测始于2017年4月12日，监测范围为K1966+300～+360，测点L0、L1～L12固定于中心水沟侧壁顶面，见图11，其中测点L0为监测基准点，K1966+310～+330内测点L3～L11间距为2.50 m，其余测点间距为10.00 m。根据微压差静力水准沉降监测原理，测点L1～L12的监测变形是相对于测点L0，故各测点的监测变形是一个相对值。

有砟轨道段人工变形监测范围为K1966+300～+340，每个监测横断面内在轨枕上布置测点B2和B3，每侧测点纵向间距为5.00 m，两侧共计18个测点。

图11 道床变形测点布置示意图

Fig. 11 Sketch of monitoring points layout for track bed deformation

5.1.1 自动监测数据

截至2018年9月7日，部分测点的监测数据先后出现了异常，但测点L6～L8、L10、L11的监测数据未见异常，测点L6～L8、L10、L11上拱10.75～22.86 mm，其中测点L10上拱最大。整治期间及之后，测点L6～L8、L10、L11的上拱量及上拱速率见表4。由表4可知： 2017年9月3日—2018年3月21日测点L7沉降0.01 mm，测点L8上拱0.04 mm，测点L6、L10、L11的上拱速率为0.15～0.38 mm/月； 2018年3月22日—9月7日测点L6～L8、L10的上拱速率为0.48～0.68 mm/月，测点L11的上拱速率为0.11 mm/月。

表4 整治期间及之后测点上拱量及上拱速率

注： 上拱为正，沉降为负。

测点L6～L8、L10、L11的累计变形量时程曲线见图12。由图12可知： 2017年7月5日—9月2日各测点上拱变缓趋势明显，2017年9月6日—12月16日各测点上拱基本稳定或略有降低；2018年2月15日—9月7日测点L6～L8、L10上拱呈缓慢增大趋势； 2018年2月15日—5月12日测点L11上拱呈缓慢增大趋势，5月13日—9月7日测点L11上拱已基本稳定； 2018年2月15日—9月7日测点L6～L8、L10的上拱速率为0.53～0.69 mm/月； 2018年2月15日—5月12日测点L11的上拱速率为0.50 mm/月。

截至2018年9月的自动监测数据表明： 整治工程实施后，隧底隆起并未终止，但隆起速率大幅降低，且总体呈差异化的加速状态。图12的时程曲线表明，除K1966+310测点L11已(暂时)进入稳定的终止隆起状态以外，其余测点仍处于持续的隆起状态。

图12 自动监测点累计上拱量时程曲线(2017—2018年)

5.1.2 人工监测数据

2018年3月22日，有砟轨道段更换道砟后人工变形测点高程重新确定，截至9月7日各测点的累计上拱量见表5。由表5可知： K1966+320.0测点B2、K1966+325.0测点B2和B3出现了上拱，其余测点未见上拱； 2018年3月22日—6月5日，K1966+320.0测点B2累计上拱2.62 mm； 2018年3月22日—9月7日，K1966+325.0测点B2累计上拱2.19 mm，K1966+325.0测点B3累计上拱0.48 mm； 2018年3月22日—9月7日，K1966+310.0测点B3沉降0.64 mm，而同一横断面自动测点L11上拱0.61 mm； K1966+320.0测点B3沉降0.62 mm，而同一横断面自动测点L7上拱3.13 mm。

2018年3—9月的人工监测数据表明，整治工程实施后，隧底隆起并未终止，但隆起速率大幅降低，且总体呈左右线、左右轨和量值差异化的缓慢隆起状态，部分测点有微小值沉降现象。

表5 整治后人工测点的累计上拱量(2018年)

注： 更换道砟后重新确定人工测点高程时间为2018年3月22日； 上拱为正，沉降为负，测点无数据为“—”。

5.2 动检数据基本情况

2018年5月7—8日高铁工务段对该隧道K1966+200～+450段进行精调作业，5—7月的轨道动态分析表明： 对应的动检周期内，轨道总体呈左右线、左右轨和量值差异化的下沉趋势，虽个别断面在一定的动检周期内有很小量值的上拱，但总体呈明显的减速沉降趋势。

6 结论与建议

6.1 结论

1)洞口段位处浅埋、偏压和基底承载力不均的组合工况中是道床隆起的主要外因，隧道开挖引起的地层偏压调整不充分，偏压力对隧底结构的挤压造成道床横断面出现了不同程度的隆起。

2)隧底监测与轨道动态数据并不吻合，但隧底隆起或沉降并未终止的结论是明确的。

①自动监测成果表明： 整治前K1966+310.0测点L11的上拱速率为3.70 mm/月，整治后2018年2月15日—5月12日上拱速率为0.50 mm/月； 整治前K1966+312.5～+322.5段测点L6～L8、L10的上拱速率为1.38～3.55 mm/月，整治后2018年2月15日—9月7日各测点的上拱速率为0.53～0.69 mm/月，上拱速率减小了56.6%～85.1%。

②人工监测成果表明： 2018年3月22日—9月7日，除了K1966+320.0测点B2和K1966+325.0测点B2明显隆起外，K1966+300～+340段各测点上拱缓慢，且部分测点有小量值沉降。

③动检数据表明： 轨道总体呈显著差异化的下沉趋势，且总体呈明显的减速沉降趋势，但个别断面在一定的动检周期内有很小量值的隆起。

3)微压差静力水准沉降监测系统与人工监测相比具有精度高等优势，自动监测系统已平稳运行超过1年，但近期自动监测成果有别于人工监测成果，需进一步分析自动监测系统的稳定性和可靠性。

4)初步的中间数据分析认为，道床隆起整治目标并未完全实现，道床变形监测仍在继续，可延长工后整治效果监测与分析。

6.2 建议

1)从自动监测成果来看，道床整治后3.5个月内道床上拱趋势减缓，上拱量基本稳定或略有减小，但整治完4.5～5.5个月后道床上拱又呈现缓慢增长，这说明以锚杆和洞外锚固桩为主的加固措施未能克服偏压力的继续调整，故有必要从更大范围研究隧道洞口段的地应力分布。

2)对地应力型隧底隆起病害，需进一步研究锚杆加固措施的有效性。